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什么时候人类可以穿越时空?

■2003年9月,科普杂志《牛顿科学世界》以“时间机器何时起程”为题,报道了澳大利亚物理学家保罗·戴维斯提出的时间机器的制造方法。
■2004年4月20日,美国宇航局将一颗历时45年研发而成的“引力探测-B”科学卫星发射上天,它要以前所未有的精度,验证爱因斯坦的广义相对论中所预言的时空扭曲是否真的存在。
■人们不知道“引力探测-B”是会给爱因斯坦的理论再添一块基石,还是将动摇并从根本上改变我们对宇宙以及时空的认识;而保罗·戴维斯和无数的科幻迷们,同样迫切地期待它的答复:时空之旅能否成行。

□当人们开始科学地观测宇宙时,相信绝大部分人在太空四处遨游的梦想也会随之破灭,因为天文学家告诉我们:宇宙之大大到我们几乎无法想象!

我们所处的银河系,仿佛是一个涌动着激流的巨大无比的漩涡,无数恒星依靠引力在这里聚拢,在银河系中像太阳一样的恒星约有2000亿个,而宇宙中的星系,以人类目前的观测大概是500亿到1000亿个,这着实让人类叹为观止。
专家江晓原介绍说,我们现在的航天能力,就好像在一个大都市里,我们刚刚从某幢房子的门走出去,围着这房子绕了一圈。对整个城市来说这样的圈子实在是太小了。今后如果要遨游宇宙,靠目前的航天手段,甚至我们今天能够想象的航天手段都是不可能的,一定要靠时空旅行,这是事实。专家认为之所以要改变时空结构进行时空旅行,是因为如果按照传统的加速思想,即使把现有的航天器提速到接近光速,遨游宇宙也是不可能的。比如离银河系最近的是仙女座星系,在晴朗的夜空中肉眼就可以看到它,仙女座星系也被称为草帽银河,它的样子就像一顶漂亮的西班牙草帽。然而我们要到达那顶草帽,即使以光速前进也要走230万年。
1997年,根据美国著名天文物理学家卡尔·萨根的科幻作品所改编的科幻电影《接触未来》被搬上银幕。
萨根希望讲述一个人类与外星人接触的故事,但对人类如何到达外星的方法,他也设想不出来。后来的书中就只好这样处理,让外星更先进的文明通过无线电传授给地球人一种制造一台时间机器的方法,它可以在地球与天琴座α星之间建立便捷的通道。在电影中女主人公登上了一艘飞船,她的脚下是转动的机械臂,仿佛是进入了一个巨型离心机的涡轮之中。在影片中人们看到女主人公乘坐时间机器,飞速进入到一条五彩斑斓的隧道中,最终她终于来到了天琴座α星。
天琴座α星就是中国人非常熟悉的织女星。
而从地球到织女星以光速也要走26年。江晓原介绍说,像电影里所描述的那种到天琴座去一个来回,在地球上呈现的时间只有1秒钟,这就是利用了时空旅行的手段。

□100年前,爱因斯坦提出了著名的狭义相对论,根据狭义相对论可以作出一些惊人的推断,例如:如果人能够以接近光速旅行,那么时间对于他来说就会停滞。

从古代古希腊甚至更早的时候,人们就对时间进行了很多种思考,但是真正从科学上把时间和空间联系在一起,并提出一种时空理论,还是从1905年爱因斯坦的狭义相对论开始。他首次提出一个概念,时间和空间这两者不是彼此无关的。比如说随着人们运动状态的变化,时间和空间在不同的参考系里会有些可能以前没有想到的变化,这种理论实际上给人们改变观念里的朴素的那种时间永远不变、空间永远不变的看法,提供了科学的支持。
年轻的爱因斯坦最喜欢观察树林中的光影,在狭义相对论中,它的核心是光速恒定,它认为不论光源以多快的速度移动,也不论观察者以多快的速度向什么方向移动,光速永远不变。所有的运动,甚至时间本身都必须与之相对应,由此爱因斯坦首次提出时间是相对的。
1971年,物理学家理查德·基廷和乔伊·哈夫勒将4个极为精确的原子钟放在一架普通航行的飞机上,当飞行之后,这些原子钟与放在地面的原子钟相比,发现的确慢了59纳秒。它不仅证明狭义相对论完全正确,也说明人们通过坐飞机来长寿,理论上是可行的,所不同的是效果太微弱了。
但是在粒子加速器里,狭义相对论所预言的时间膨胀的效应就不那么微弱了,在美国长达40公里的粒子加速器,当次原子粒子穿越这个巨形装置的时候,他们可以被加速到光速的90%以上,在这样的速度下,时间的变化明显出现了。正如狭义相对论计算所得出的,疾驰的粒子质量增加了,而在正常情况下寿命很短的粒子,存在时间大大增长。这证明对这些粒子来说,时间变慢了。

□对于时空旅行来说,广义相对论出现后产生的最重要影响就是提供了允许回到过去的虫洞理论。按照霍金对虫洞的描述,它是沟通宇宙之间的细长的时空管道。

1915年,爱因斯坦更为深奥的广义相对论问世,广义相对论把引力、空间、时间这几者联系起来,预言引力会使时空发生弯曲,就像保龄球压在一张条格床单上,星体的质量会使周围的时空发生翘曲。
1919年,人们通过观察日食发生时星光的变化,发现太阳的引力的确会使星体的光线发生弯曲。
对于时空旅行来说,广义相对论出现后产生的最重要影响就是提供了允许回到过去的虫洞理论。按照《时间简史》中霍金对虫洞的描述,它是沟通宇宙之间的细长的时空管道。虽然虫洞被形象地描画出来,但它其实只是一个数学模型。关于它的各种设想都可以被视为是对爱因斯坦引力场方程的不同的解答。1935年,爱因斯坦和罗森在论文中根据场方程推出的通道,被称为爱因斯坦-罗森桥。在论文里这座桥是无法通过的,当宇宙飞船想通过桥的时候,桥就会断裂。但1949年,奥地利数学家戈德尔通过计算发现,其实在某些特定的情况下,桥不会断裂,广义相对论是允许人们可以回到过去的,这也令爱因斯坦非常吃惊。
江晓原介绍说,既然时空在理论上已经被证明是可能的,那么人们就会沿着理论的思路继续探讨,一个比较严重的问题是:如果我们能够进行时空旅行,我们能够回到过去的话,那么我们就可能破坏因果律。物理学家最早设想的例子就是所谓祖母悖论,说你如果回到过去,遇见了你的祖母,你不慎害死了她,这样你就无法出生了,不能出生当然就不会有你,既然你根本不存在,你怎么可能去害死你祖母呢?这样就构成一个悖论。

□平行宇宙根据霍金的解释就是时间旅行者回到过去改变历史后,时间线便出现了分叉,而分叉出来的时间线展开的是另一段历史,祖母在另外的历史中依然存在。

江晓原介绍说,平行宇宙理论最初是为了解决回到过去干预历史导致对因果率的破坏而提出来的。但是现在人们也可以从某些物理学上找到一些微弱的支持。
量子理论是现代物理学家用来研究微观原子世界的一套想法,它的核心观念是大自然在微观层次上是不连续的,这和牛顿经典力学的理论截然相反。1994年3月,牛津大学的大卫·多伊奇在《科学美国人》杂志发表了论文《时间旅行的量子物理》,对时间旅行的物理上的可能性进行了阐述,他认为这种可能性是以量子力学的“多世界”理论为基础的。在亚原子的世界里,量子的不确定性占主导地位,一个电子撞击一个质子既可能转向左边也可能转向右边,而这种不确定性很可能造成了宇宙的多重性,根据“多世界”理论的解释,宇宙从一开始起就有无穷多个平行的世界。
似乎有了平行宇宙的概念,时空旅行改变历史的问题由此可以得到协调和解决,因此现在可以看到,在越来越多的描写穿越时空的电影中,频频使用平行宇宙的观点来修补出现的逻辑矛盾。而有了平行宇宙的概念,时间机器更可以大胆前进了。
江晓原认为,虫洞是现在大家能够想象到的进行时空旅行的最便捷的手段,理论上宇宙中可能存在某些虫洞,但是我们现在没有找到发现它的途径,事实上没有任何途径发现过,只是在理论上说宇宙中是存在某些虫洞的。如果我们适当地利用虫洞,我们就有可能进行宇宙时空旅行。我们就有可能在一些不同的平行宇宙之间穿越。另外一条途径是设想用人工来制造一个虫洞,物理学家也已经对这个问题做过设想。这些设想已经模糊了科学和幻想的边界,实际上它就是科学幻想和物理学的纯理论探讨的一个混合物,这种建造一个人为的虫洞在物理学家的理论中是纯粹的想象,目前没有技术手段能够达到。
时间旅行也许在下一代可以实现,也许永远只是个梦想。
威尔斯则在《时间机器》的结尾这样写到:人们除了惊叹别无选择。
驳江晓原《必须正确才是科学吗?》:科学必须是真实、正确的求答案

本文于缘起江晓原的文章《必须正确才是科学吗?–以托勒密天文学说为例》,在上海交通大学科学史系的研究生入学考试中,不止一次地出了“试论托勒密的天文学说是不是科学?”的考题,当然许多考生认为托勒密的天文学说不是科学,陈述的重要理由,大家都知道是因为托勒密天文学说中的内容是“不正确的”–我们知道地球不是宇宙的中心。 江晓原认为他们答错了:“然而,这个理由同样会使哥白尼、开普勒甚至牛顿都被逐出科学的殿堂!因为我们今天还知道,太阳同样不是宇宙的中心;行星的轨道也不是精确的椭圆;牛顿力学中的‘绝对时空’是不存在的,……难道你敢认为哥白尼日心说和牛顿力学也不是科学吗?” 但是,考生的回答是正确的,理由不恰当。在我国,约定俗成,公众对科学的看法是:真实、正确、准确的知识,这个看法太粗略但基本符合西方科学的情况。西方科学是系统的实验和严密逻辑推理的体系,最基本的是共识(或观念)是:一、人类能够通过系统的实验得到确定的可重复的经验,这是科学的基础,通过直觉产生的概念、原理、规律可以对这些进行清晰的描述,并通过逻辑推理建立、得到真实的知识(概念、原理、规律)。概念、原理、规律必须是与经验形成对应,才是真实的知识(可以通过直觉把握这种对应)。再用演绎推理得到推论(包括得到预见),推论也能够与经验形成对应(这种对应同样是通过直觉把握的),若推论与经验的对应得到实验观察证实,则概念、规律就是正确的。当然,如果应用了数学,得到的就是定量、准确的知识。二、人类所认识的规律就是自然本身的规律,或者换句话说,自然是可认识的。当然,这是一个信念,是元科学问题,科学本身不能够证实它。 所以,科学必须是真实的知识,所谓“正确”一般是在定性上的正确,概念、原理、规律以及推论和经验的对应是成立的,是真实的,而且还要求得到逻辑推理的证实;当然,习惯上,“正确”有两个意义:一是概念、规律的描述与推论与经验存在定性上的真实确切对应,那就是定性的正确。二是,正确有时还包括定性上正确,定量上准确这个意思。 例如:进化论的原理之一“生物总是过度繁殖的”,首先是概念如“生物”、“繁殖”等必须做到与我们的经验形成对应,而且整个原理必须能够与我们的经验形成对应。这样,这条原理就是真实而且正确的。 由前面两条最基本的共识可以得到第三个基本共识:界定清晰的概念与严密的逻辑推理是不允许相互矛盾的,即不允许正确与错误共存,即由前两个最基本的出发点可以得到结论:对某项事实的认识所得到真实的知识只有一个,即“真理只有一个”,而且,通过逻辑推理,真理与真理之间能够相互联系的话,必定是相容的,不可能相互否定相互排斥。 第三个基本共识很重要,常常是研究者是否真正懂得科学研究的标志。研究者不能够以为自己运用了科学方法从数据或经验中得到了某个规律或者原理就得到了科学发现,历史上很多情况已经证明:这些很可能是存在自己未考虑的其它原因同样导致这样的结果,即很可能别的解释才是正确的。所以,研究者还必须运用对照实验以及逻辑推理等,排除能够否定这个规律或原理的其它可能解释,才能够说得到了科学发现。在自然科学方面,如果没有考虑这种可能性,发现一个新现象便急忙得到结论并报告,出现错误的话就非常丢脸了。在中国文科方面,由于水平比较低下,出现这种错误没有人认为是令人羞愧的错误,却似乎是非常正常的情况。 虽然在科学研究中出现错误,以及现在认为正确的,未来认定是错误,也是科学发展的正常情况,不必苛求。但江晓原所说的这话很有漏洞甚至可以说是错误的:“我们判断一种学说是不是科学,不是依据它的结论,而是依据它所用的方法、它所遵循的程序。”符合科学方法、程序的科学研究结论必须是真实也就是正确的,不能够是一驳就倒的。 但是在中国,业余的“民科”们由于不懂得这些,自以为在依照科学方法做科学研究,实际上却不是在做真正的科学研究,动辄出现逻辑错误、概念不清错误和基本常识错误等,不小心地考虑别的解释才是正确等的可能。这样,他们的所谓“研究”是毫无意义的。 在科学史上,古希腊人的研究方法已经有些接近现代科学方法,但结果却是在达到高峰后就跌入低谷,直到文艺复兴才出现现代科学,原因就是古希腊人如亚里士多德,是从先验的理性出发研究自然,才拥有一点点的事实和观察,就得到最一般概括的结论、解释。当然,这些结论、解释错误很多,不能够促进科学的发展。 而第一个现代意义上的科学家–伽利略,非常看重真实也就是经验与结论、解释的对应,把实验方法与数学演绎方法结合,真正开始了现代经验科学研究。W.C.丹皮尔在《科学史及其与哲学和宗教的关系》中说:“伽利略真可算是第一位近代人物;我们读他的著作,本能地感觉畅快;我们知道他已经达到了至今还在应用的物理科学方法。过去,人们总是先采纳一个完备的和自圆其说的知识体系,中世纪新柏拉图主义和经院哲学都有这样的特色,现在,伽利略放弃了这种方法。事实不再是从权威的和理性的综合中推演出来的了,也不必再符合于这种权威的和理性的综合了,象在经院哲学中那样;事实甚至不再是靠这种综合来取得意义了,象在刻卜勒的头脑中那样。由观察或实验得来的每个事实及其直接的和不可避免的推论都按照本来面目被人接受,不管人们怎样想把自然界一下子收服在理性的管辖之下。许多孤立的事实的协和是慢慢显露出来的,围绕着每个事实的窄小的知识范围,零散地发生接触,也许就融合成一个较大的范围。可是,要把所有的科学的和哲学的知识融合成一个更高的、统摄一切的统一体,即使还不是绝不可能的,也须推迟到遥远的将来。中世纪经院哲学是理性的;现代科学在本质上是经验的。前者崇拜人的理性,在权威规定的界限内活动;后者接受无情的事实,不管它是否合于理性。” 江晓原自己在文章里面说托勒密“那时,在他心目中,宇宙间并无任何实体的天球,而只是一些由天体运行所划过的假想轨迹。”江晓原没有注意现代经验科学的基本要求,在现代科学中,所研究的包括天球是实体,现代天文学是对天球实体的研究成果,很明显托勒密的天文学说不是科学。虽然,从长期的历史发展来看,托勒密对科学确实有重要贡献。但不能够把有贡献也错误明显,不符合现代科学基本要求的研究成果看成是符合现代科学要求的科学成果。 所以,对普通人来说,“试论托勒密的天文学说是不是科学?”的考题,由于普通人所受的教育就是哥白尼、牛顿是科学巨人,因此回答托勒密的天文学说不是科学,哥白尼、牛顿的天文学说是科学理论是正常的,可以理解。但从事专业研究者的回答应该是:在现代,托勒密的天文学说不是科学,哥白尼、开普勒甚至牛顿的天文学说都已经不是现在的科学,已经只是历史上的科学,只有爱因斯坦的相对论才是科学理论。附:江晓原《必须正确才是科学吗?–以托勒密天文学说为例》江西省德兴市一中
江晓原:托勒密的天文学说是不是科学

托勒密的天文学说是科学。

托勒密的天文学说认为地球是宇宙中心,太阳、行星围绕太阳做匀速圆周运动,现代天文学证明托勒密的观点是错误的,但不影响天文学是科学的结论。